Lực ‘kéo co’ xúc tác phản ứng hóa học

Các nhà nghiên cứu ở Mĩ vừa chứng minh rằng lực cơ có thể mang đến những phản ứng hóa học độc đáo. Thí nghiệm của họ cho hút các phân tử trong dung dịch bằng siêu âm và cho thấy cơ học có thể mở ra những lộ trình phản ứng mới khác trong hóa học. Khám phá trên còn có thể dẫn tới sự phát triển của những công nghệ mới như các bộ cảm biến lực kích hoạt hoặc chất bám dính thuận nghịch.

Các nhà hóa học đã có một số phương pháp thúc đẩy các phản ứng hóa học xảy ra, thí dụ như đun nóng hoặc chiếu sáng. Nhưng sự bổ sung thêm năng lượng rộng rãi như thế này có thể mang đến những sản phẩm phụ không mong muốn và làm lãng phí những chất xúc tác có giá trị. Trong những trường hợp khác, nhiệt và ánh sáng thậm chí không hoạt động.

Người ta đã biết trong hàng thập kỉ qua rằng lực cơ là một cách khác xúc tiến các phân tử hóa học – một lĩnh vực gọi là “hóa cơ học”. Ví dụ, nếu bạn nhai một miếng kẹo cao su, thì một số liên kết cộng hóa trị của chất kẹo sẽ bị phá vỡ, tạo thành những polymer ngắn hơn. Các nhà hóa học còn sử dụng lực cơ để lọc lựa và xúc tiến những phản ứng nhất định, ví dụ như mở vòng phân tử hay làm thay đổi cấu trúc phân tử. Cái họ chưa có khả năng làm được là sử dụng lực cơ để xúc tác một phản ứng hóa học không thể điều khiển bằng bất kì cách nào khác.

Phân tử kéo co mở ra những lộ trình nghiên cứu mới trong hóa học. (Ảnh: iStockphoto.com/kutaytanir)

Phản ứng ngoan cố

Thành tựu này nay đã được chứng minh bởi Christopher Bielawski cùng các đồng nghiệp tại trường Đại học Texas ở Austin. Nhóm của Bielawski tập trung vào một nhóm chức hình vòng gọi là triazole (C₂H₃N₃), chất thường được dùng trong nghiên cứu sinh học và khoa học vật liệu. Triazole – đặc biệt là đồng phân 1,2,3-triazole – được tạo ra trong sự cộng vòng của một azide (nhóm chức N₃-) và một alkyne (những hydrocarbon có một liên kết ba carbon-carbon) trong sự có mặt của đồng. Tuy nhiên, một khi đã hình thành, triazole không bị ảnh hưởng bởi mọi cách xử lí nhiệt, hóa học, và ánh sáng.

Các nhà nghiên cứu bắt đầu với triazole, sau đó gắn những chuỗi polymer vào mỗi phía của từng phân tử. Sau đó đặt mẫu chất trong dung dịch và tác dụng siêu âm vào. Quá trình này làm cho những cái bọt nhỏ xíu lớn dần và co lại, hút lên những chuỗi polymer lân cận. Theo đội nghiên cứu, quá trình này làm phát sinh một lực căng dọc theo chuỗi liên kết polymer đạt tới giá trị cực đại ở chính giữa – chính là nơi các phân tử triazole nằm. Lực căng làm biến dạng các liên kết, cho phép triazole vỡ thành azide và alkyne thành phần của nó.

“Phản ứng đã báo cáo [triazole vỡ thành azide và alkyne] là một trong rất ít những biến đổi chỉ được xúc tác bởi lực cơ học – khả năng phản ứng chúng ta mô tả không thể thu được với những kích thích khác, như nhiệt hay ánh sáng”, Bielawski nói.

Bielawski tin rằng minh chứng của nhóm ông đã làm sáng tỏ làm thế nào những chất liệu chứa triazole có thể bị hỏng dưới những sức căng cơ học nhất định. Nhưng ông cũng nghĩ nghiên cứu trên có thể có những ứng dụng thực tiễn. Chẳng hạn, các nhà sinh học đã sử dụng các triazole để đánh dấu các phân tử sinh học nay có thể không cần đánh dấu nữa. Trong khi đó, các nhà vật lí có thể hỗ trợ các nhà hóa học khảo vai trò của cơ học trong liên kết hóa học, khắc sâu thêm kiến thức của chúng ta về động lực học hóa học và, có khả năng, dẫn tới các khám phá của những phép biến đổi hóa học mới.

Giống như “bê tông chưa đổ”

“Một khi nghiên cứu thành công, nó là tương đương hóa học của bê tông chưa đổ”, phát biểu của Stephen Craig, một nhà hóa học tại trường Đại học Duke ở Bắc Carolina, Mĩ. Craig tin rằng, trong sự xây dựng những phân tử phức tạp, có khả năng sử dụng lực cơ để bảo vệ những nhóm chức nhất định bằng cách tạm thời chuyển chúng sang những nhóm không phản ứng, ví dụ như triazole. “Cái quan trọng là bảo vệ những nhóm phản ứng có giá trị bằng cách làm cho chúng không phản ứng trong những giai đoạn đầu của quá trình xây dựng, để chúng sống sót cho đến khi cần đến chúng trong những giai đoạn sau”.

Nancy Sottos, một nhà khoa học vật liệu tại trường Đại học Illinois ở Urbana-Champaign, Mĩ, gọi nghiên cứu trên là “rất hấp dẫn”, và nghĩ rằng nó có thể báo trước những ứng dụng như các bộ cảm biến lực kích hoạt. “Ngoại suy về hướng tương lai, nó có thể mang đến một nền tảng mới cho các chất liệu phản ứng lực”, bà nói. “Tiềm năng xa nữa là những polymer có tính bám dính thuận nghịch đối với một bề mặt nhất định”.

Nguồn: physicsworld.com